NEVROTRANSMITTERE og deres mekanismer Notater til forelesning 05.09.2016, Stadium 1C Linda White Inst. for nevromedisin, NTNU
Studiehåndboken #4. Kjemi, biokjemi, farmakologi 4.1.2 Forklare nevrotransmitternes virkningsmekanisme 2
Dagens temaer Nevrotransmittere og klassifiseringen Syntese, transport, frisetting og inaktivering av nevrotransmittere Makromolekyler i forbindelse med nevrotransmisjon Postsynaptisk binding Endringer i synaptisk styrke
Nevroner biomedicalengineering.yolasite.com Nevrotransmisjon - en elektrofysiologisk prosess
Synapser Et område der et nervesignal overføres fra et nevron til et annet nevron Det er to hovedtyper synapser Elektriske synapser Kjemiske synapser
Kjemiske synapser Benytter dermed 3 vesentlige molekylære komponenter: 1. nevrotransmittere 2. reseptorer spesifikke for bestemte nevrotransmittere 3. ionekanaler
1. Nevrotransmittere For å bli klassifisert som nevrotransmitter må substansen : Produseres presynaptisk Under stimulering bli frigjort ved synapsen i mengder store nok for å binde seg til spesifikke reseptorer og initiere et aksjonspotensial i det postsynaptiske nevronet Oppnå samme respons ved kunstig tilførsel Kunne fjernes fra den synaptiske kløften av en spesifikk mekanisme
"Små" nevrotransmittere i sentralnervesystemet Aminosyretransmittere glutamat aspartat GABA glycin Puriner som ATP Biogeniske aminer katekolaminer dopamin noradrenalin (norepinefrin) adrenalin (epinefrin) serotonin (5-hydroksytryptamin) histamin acetylkolin Acetylcholine
De største nevrotransmittere Nevropeptider f.eks. Substance P Galanin Enkefaliner Endorfiner Somatostatin Insulin Orexin (over 100 kjente) Neuropeptid Y De minste nevrotransmittere som nitrogen oksyd, karbon monoksyd
Hvorfor så mange og så forskjellige transmittere? Kompleksitet krever plastisitet Et postsynaptisk nevron mottar signaler fra mange andre nevroner Nevronet må kunne skille mellom signalene Trolig frigjør alle nevroner >1 nevrotransmitter, men ved forskjellige synaptiske områder Den postsynaptiske cellen kan spesialisere seg for å optimalisere mottak for signaler fra bestemte presynaptiske områder
Syntese og transport av nevrotransmittere Ukonvensjonelle transmittere (som NO) er for små til å kunne lagres i synaptiske vesikler De produseres i terminalene etter behov og diffunderer direkte Nevropeptider dannes de novo Store prekursor-proteiner spaltes i ER, Golgi og elektrontette ("dense core") vesikler Peptidene fraktes til aksonterminaler i disse vesikler Degradering etter frisetting; gjenopptak av aminosyrene Små molekylære aminosyre- og "klassiske" nevrotransmittere synthetiseres i aksonterminalene Enzymer som lager dem fraktes dit i vesikler langs mikrotubuli Produksjonen styres av enzymets mengde og aktivitet Gjenopptak og gjenbruk etter nevrotransmisjon
Frigjøring av nevrotransmitter ved synaptiske terminaler 1. Synaptisk vesikkel spesialisert organelle for syntese, lagring og frisetting av transmitter 2. AP depolariserer den presynaptiske membranen 3. Docking av vesikkel ved den presynaptiske membranen 4. Depolarisering aktiverer spenningsfølsomme Ca 2+ - ionekanaler 5. Aktivering av vesikkel membranprotein. Kvantal frisetting av transmitter (eksocytose) 6. Diffusjon av transmitter over den synaptiske spalten 10 11 7. Aktivering av ligand-styrte ionekanaler (reseptorer) i den postsynaptiske membranen 8. Generering av det postsynaptiske potensialet (depolarisering eller hyperpolarisering) 9. Overføring av det postynaptiske potensialet Neuroscience 3rd edn. Sinauer Associates Inc. 10. Inaktivering av transmitter-substansen. Den presynaptiske membranen re-polariseres og overskudd av Ca 2+ fjernes 11. Inndragning av vesikkel-membranen (endocytose)
Kjemiske synapser (aktive soner) sett ved elektronmikroskopi - Den presynaptiske membran har elektrontette synaptiske områder med ansamlinger av presynaptiske vesikler - De fleste vesikler er gjennomsiktige, diameter ca. 40 nm - Disse inneholder en av de 'små'- transmitterne - Færre, større elektrontette vesikler, diameter ca. 100 nm inneholder sekretorisk protein, slik som et nevropeptid - Trolig kun én type transmitter pr. vesikkel Postsynaptic density Active zone
Ved inhibitoriske synapser vil effekten av en spesifikk nevrotransmitter føre til hyperpolarisering av den postsynaptiske cellen Inhibitoriske nevrotransmittere fører til en redusert sjanse for et postsynaptisk aksjonspotensial Ved eksitatoriske synapser vil effekten av den spesifikke nevrotransmitter føre til depolarisering av den postsynaptiske cellen eksitatoriske nevrotransmittere fører til en økt sjanse for et postsynaptisk aksjonspotensial Noen transmittere (særlig nevropeptider) kan fungere også som nevromodulatorer og fører til mindre elektriske endringer (under terskel for aksjonspotensialer)
2. Reseptorer Selv om en reseptor er spesifikk for en bestemt nevrotransmitter, kan en nevrotransmitter ha flere forskjellige reseptortyper Reseptortypen bestemmer hvilken reaksjon den postsynaptiske cellen utfører i respons til transmitter-binding Reseptorer betegnes enten som ionotropiske eller metabotropiske En neurotransmitter kan ha begge typer reseptorer
3. Ionekanaler Store proteiner bestående av flere subenheter Spenner cellemembranen Spesifikke for én eller flere typer ioner Ionebevegelse (åpning / lukking) vanligvis i respons til spesifikke elektriske, kjemiske, eller mekaniske signaler Passiv fasilitert diffusjon av ioner nedover en konsentrasjonsgradient, inntil 10 8 ioner s -1 ATP-uavhengig ww2.coastal.edu Ionekanaler styres vanligvis enten av en endring i membranpotensialet (spenningstyrte) eller av kjemiske signaler (nevrotransmittere); reseptor- eller ligand-styrte
Spenningsstyrte ionekanaler Åpner eller lukker kun i forhold til endringer i membranpotensialet Åpner eller lukker for fluks av anioner og/eller kationer Få hovedtyper, svært mange subtyper Ingen reseptorer Direkte, raske
Reseptor-styrte ionekanaler Ionotropiske reseptorer Metabotropiske reseptorer "Ligand-styrte ionekanaler" Metabotropiske reseptorer er langsommere men har mer variasjon
Reseptor-styrte ionekanaler raske direkte NMDA AMPA glutamat Kainat GABA A Glycin serotonin 5-HT 3 nikotinisk nach purin P2X NMDA (N-metyl-D-aspartat) AMPA (2-amino-3-(3-hydroxy-5-methyl-isoxazol-4-yl)propanoic acid) Kainat farmakologiske agonister som binder til subtyper av glutamat reseptorer
Reseptor-styrte ionekanaler saktere varige indirekte, flere/mange ledd mglu (metabotropisk glutamat reseptor) GABA B mach (muskarinisk) katekolaminer og serotonin (unntatt 5-HT 3 ) samtlige nevropeptider
GABA A -reseptor Ionotropisk, koblet til Cl - kanaler som åpner for å hyperpolarisere den postsynaptiske cellen. Flere neddempende substanser øker GABA A reseptorfunksjon Beregnet at ca. 20% synapser i CNS er GABA-erge
NMDA reseptor Reseptoren er mer sofistikert enn de fleste og for effektiv åpning av ionekanalen trengs binding av glutamat binding av ko-agonist glycin en delvis depolarisering av den postsynaptiske cellen Hypopolarisering fører til at Mg 2+ ionet i porområdet fjernes Kanalen tillater passasje av Na + (inn), K + (ut) og Ca 2+ (inn) Ionekanalen har også andre bindingsplasser for molekyler som kan modifiseres enzymisk, eller samarbeide med strukturelle og stillas-proteiner
Synaptiske områder ved kjemiske synapser Synaptiske områder består av hundrevis av proteiner Både den pre- og postsynaptiske membranen har svært kompleks struktur Begge støttes av et stillas-lignende protein nettverk Store forskjeller i oppbyggingen pre- og postsynaptisk, men komplimentære Store forskjeller mellom inhibitoriske og eksitatoriske aktive soner Postsynaptisk tetthet (PSD) assosieres med eksitatoriske synapser Inhibitoriske aktive soner er mindre elektrontette Inhibitorisk synaps Eksitatorisk synaps starklab.slu.edu
Postsynaptisk spesialisering Den postsynaptiske siden av synapsen er spesialisert for å motta signaler fra den presynaptiske siden (nevrotransmittere) Springer images Reseptorene er konsentrert i membranen, plassert i et rikt og komplekst nettverk av proteiner som forankrer og støtter dem, samt sørger for videre postsynaptisk signalisering Det er svære forskjeller mellom eksitatoriske og inhibitoriske postsynaptiske spesialiseringer - de eksitatoriske er fortykkede og mer komplekse Sammensetningen og reguleringen av proteiner i membranen er svært dynamisk Eksitatoriske postsynaptisk spesialisering: Ofte på dendritiske spinae
PSD tillater synaptisk plastisitet Aktivitets-indusert endringer i synaptisk styrke (synaptisk plastisitet) er en fundamental evne til å oppnå dynamikk og danne en basis for bl.a. adferd, hukommelse, læring og kognisjon (korttids såvel som langtids-endringer) Utviklingen av nye synapser, styrke-endringer blant eksisterende synapser og fjerning av synapser regnes som basisen for denne plastisiteten To typer langvarig endring i synaptisk styrke kalles for langtidspotensiering (LTP) og langtids-depresjon (LTD)
Indusering av LTP (hippokampus: Schaffer input til CA1 pyramidale nevroner) En enkel impuls til et postsynaptisk nevron induserer en enkel svak respons (EPSP) En serie impulser ("tetanisk stimulering") induserer multiple potensierte EPSPer En enkel impuls vil deretter induserer et potensiert signal som muligens er nok for å sette i gang et aksjonspotensial Avhengig av modellen kan effekten vedlikeholdes over tid (vanligvis minutter eller timer in vitro, men dager er oppnådd in vivo). Canadian Institutes of Health Research Canadian Institutes of Health Research LTP er redusert av inhibitorisk input og hemmes i hyperpolariserte celler Fenomenet ble først observert av Terje Lømo i 1966
LTP i CA1 har flere egenskaper: Spesifisitet LTP er synapsområde-avhengig (input-spesifikk). Ingen potensiering ved ustimulerte synapser på samme cellen Samarbeid (kooperativitet) Synkrone svake stimuleringer til flere postsynaptiske områder kan føre til indusering av LTP kollektivt Assosiativitet Når en synaps stimuleres for svakt til å kunne initiere LTP mens det simultant stimuleres sterkt ved en annen synaps på samme cellen vil LTP induseres ved begge. De to stedene kan være helt adskilt (f.eks. forskjellige dendritter). På denne måten kan LTP brukes til å assosiere to elektriske meldinger fra helt forskjellige afferenter på det samme nevronet 27
thebrain.mcgill.ca Hvordan kan LTP oppnåes i praksis? Ved glutamaterge synapser finnes mange postsynaptiske ionotropiske reseptorer for glutamat AMPA reseptorer pleier å være i flertall i forhold til NMDA reseptorer (NMDA-R) Glutamat binder til AMPA-R. Den raske fluks av natrium inne i cellen fører til en hypopolarisering Dette fjerner Mg 2+ fra NMDA-R som dermed åpnes. Både Na + og Ca 2+ diffunderer inne i cellen Ved tilstrekkelig sterk, tetanisk stimulering vil aktivering av NMDA-R øke og dermed også Ca 2+ -strømmen Ca 2+ aktiverer enzymkaskader. Noen enzymer kan krysse kjernemembranen og aktivere transkripsjonsfaktorer Disse iverksetter endringer i transkripsjon Proteinsyntese endres Enzymene kan krysse kjernemembranen
LTP/LTD påvirker glutamatreseptor trafficking til dendritiske spinae Postsynaptiske funksjonelle og strukturelle endringer Dynamisk regulering av reseptorer Modulering av synaptisk effektivitet i LTP og LTD LTP/LTD endrer PSD-morfologi og spinae modifisering av stillaskomplekser og transport-mekanismer www.frontiersin.org R. Lamprecht &J. LeDoux: Nature Neurosci Rev Modeller som induserer LTP styrker synaptisk funksjon ved å øke antallet reseptorer, mens langtids depresjon (LTD) fører til en selektiv reduksjon i synaptiske reseptorer Trafficking av reseptorer påvirker E/I-likevekten
Langtids depresjon (LTD) i CA1 en metode for depotensiering Skal plastisitet utnyttes maksimalt må synapser også kunne svekkes LTD initieres ved lav-frekvens, synkron stimulering og benytter seg av flere av de samme mekanismene som LTP LTD fører til en reduksjon i synaptisk styrke gjennom bl.a. redusert postsynaptisk reseptortetthet, og/eller redusert presynaptisk nevrotransmitter frisetting Også LTD fører til postsynaptiske endringer i proteinsyntese